中国科学家是如何证实胶球真实存在的?

2026-08-10 12:18 来源:数域浪潮记

  经过长达15年的攻关,依托北京正负电子对撞机上的北京谱仪Ⅲ(BESⅢ),中国科学家领衔的国际合作组首次建立了完整的实验证据链,证实了理论预言近半个世纪的“胶球”真实存在,这一发现被国际物理学界誉为“实验上的壮举”。

  

  一、漫长寻找:困扰物理学界50年的“纯力”粒子

  胶球是什么:在粒子物理中,原子核由质子和中子组成,质子和中子内部是更基本的夸克,夸克之间通过胶子传递强相互作用力。与传递电磁力的光子不同,胶子自身携带“色荷”,可以相互吸引、自我结合,理论上能形成一种完全不含夸克、纯粹由“力的传播子”——胶子构成的粒子,即胶球。

  寻找难点:自20世纪70年代量子色动力学(QCD)理论预言胶球以来,实验上始终未能确认其存在。胶球产生后会迅速衰变,其信号极易与普通粒子混淆,难以清晰区分,成为粒子物理领域长期未解的核心谜题。

  二、关键装置:北京谱仪Ⅲ的独特优势

  装置优势:此次突破依托北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)上的北京谱仪Ⅲ(BESⅢ)探测器。该装置能够大量产生J/ψ粒子,而J/ψ粒子的衰变过程被理论认为非常有利于胶球的产生。

  样本积累:相较于欧洲大型强子对撞机(LHC),BESⅢ能够在更“干净”的实验环境中进行精细测量,减少了其他粒子的干扰。研究团队累计采集了超过100亿个J/ψ粒子的衰变事例,为寻找稀有的胶球信号提供了海量数据基础。

  三、完整证据链:从发现到确证的“三步走”

  第一步:发现候选粒子:2011年,BESⅢ合作组在J/ψ粒子的衰变产物中发现了一个新粒子,并将其命名为X(2370),初步将其列为胶球的候选对象。

  第二步:锁定关键量子数:2024年,团队利用100亿个J/ψ粒子样本,精确测量了X(2370)的自旋和宇称量子数,其结果与理论预言的赝标量胶球性质完全一致,为确定其身份迈出了关键一步。

  第三步:确证“味单态”性质:在最新研究中,团队发现了X(2370)多个新的衰变模式,并首次成功测定其具有“味单态”性质。“味”是描述夸克类型的物理属性,普通粒子都含有夸克,因此带有“味”信息;而胶球由纯胶子构成,不含夸克,不携带任何“味”信息,这正是胶球区别于其他普通粒子的最重要特征。这关键一环的验证,使得从质量、量子数到味单态的完整证据链正式闭环,从而证实X(2370)的主要成分正是物理学家寻找了近半个世纪的胶球。